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催化裂化裝置旋風分離器運行情況分析及對策

文檔作者：馬明亮盧朝鵬趙靜文檔來源：中國石油蘭州石化分公司煉油廠		更新日期： 2026年05月11日	點擊數：
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催化裂化裝置旋風分離器運行情況分析及對策
馬明亮 盧朝鵬 趙靜
中國石油蘭州石化分公司煉油廠
摘要:針對蘭州石化300×104t/a重油催化裂化裝置反應-再生系統沉降器VQS、單級旋風分離器、
再生器一、二級旋風分離器運行情況進行分析,通過收集對比裝置運行周期內相關操作條件,結合裝置
歷次大檢修期間的檢查維修情況,判斷上述氣固分離設備工作性能均表現出分離效率下降、運行狀況惡
化的現象,確定分離效率下降的主要原因包括設備長周期運行帶來的變形破損、內部損壞部位無法完全
檢查修復,以及由此帶來影響裝置長周期運行的主要問題,包括油漿泵磨損、結焦增加、催化劑跑損、煙
氣輪機的磨損和葉片結垢、鍋爐管束積灰等。提出并實施沉降器VQS、單級旋風分離器以及料腿的整
體更換、再生器一二級旋風分離器及料腿的整體更換。在裝置新的運行周期內,上述氣固分離設備運行
良好,催化劑得到高效分離,徹底消除了裝置的生產瓶頸。
關鍵詞:催化裂化;沉降器;再生器;旋風分離器;催化劑
DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2020.06.006
Operationsituationanalysisandcountermeasuresofthecyclone
separatorforcatalyticcrackingunit
MaMingliang,LuZhaopeng,ZhaoJing
TheRefineryofPetroChinaLanzhouPetrochemicalCompany,Lanzhou,Gansu,China
Abstract:Basedonthe3000×103t/aheavyoilcatalyticcrackingunitofLanzhouPetrochemical
Company,theoperationstatusofthereaction-regenerationsystem disengager VQS,single-stage
cycloneseparator,andthefirstandsecondstagecycloneseparatorsoftheregeneratorwereanalyzed.
Therelevantoperatingconditionsduringtheoperation period ofthedevice werecollectedand
compared,combinedwiththeinspectionand maintenanceofthedeviceduringthepreviousmajor
overhauls,itwasjudgedthattheworkingperformanceoftheabovegas-solidseparationequipment
showedthephenomenonofseparationefficiencydeclineandoperatingconditionsdeterioration,and
themainreasonsoftheseparationefficiencydeclineincludedthedeformationcausedbythelongperiodoperationoftheequipment.
Damagedandinternaldamagedpartscouldnotbefullyinspected
andrepaired,andthemainproblemsthataffectedthelong-termoperationofthedevicecausedby
this,includedthewearoftheslurrypump,theincreaseofcoking,thelossofcatalyst,thewearof
thefluegasturbineandthefoulingoftheblades,andtheboilertubebundledustandsoon.The
settlerVQS,single-stagecycloneseparatorandoverallreplacementofmateriallegs,regeneratorfirst
and second cyclone separators and overall replacement of materiallegs were proposed and
implemented.Inthenewoperationperiodofthedevice,theabove-mentionedgas-solidseparation
equipmentoperates well,and the catalystis efficiently separated,completely eliminating the
bottleneckofthedeviceproduction.
Keywords:catalyticcracking;settler;regenerator;cycloneseparator;catalyst
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石油與天然氣化工
CHEMICALENGINEERINGOFOIL &amp;amp; GAS 2020
作者簡介:馬明亮(1981-),高級工程師,2003年畢業于中國石油大學(華東)化學工程與工藝專業,大學學歷(工學學士),現就
職于中國石油蘭州石化公司,從事石油煉制工作,多次獲公司級科技獎勵。E-mail:mamingliang@petrochina.com.cn
催化裂化是煉油工業中重要的二次加工過程[1],
是將重油輕質化的重要手段。該工藝過程使原料油在
適宜的溫度、壓力和催化劑存在的條件下,進行分解、
異構化、氫轉移、芳構化、縮合等一系列化學反應,原料
油轉化成氣體、汽油、柴油等主要產品及油漿、焦炭等
副產品。催化裂化過程具有輕質油收率高、汽油辛烷
值高、氣體產品中烯烴含量高等特點。中國石油蘭州
石化分公司重油催化裂化裝置設計規模為300×104
t/a,主要加工減壓蠟油與減壓渣油混合原料,裝置主
要由反應-再生、分餾、吸收穩定、熱工、主風四機組、氣
壓機組等單元組成,其中反應-再生系統(以下簡稱
反-再系統)是裝置的核心,也是影響裝置長周期運行
的關鍵因素[2-4]。
該裝置自2003年7月首次投產以來,運行至今已
歷時15年,期間雖先后經歷6次大檢修,但對于反再
系統長期使用的提升管出口旋流快分(vortexquickseparation,
以下簡稱VQS)、沉降器頂旋風分離器、再
生器一、二級旋風分離器等內構件產生的內部損壞部
位,僅做過局部修補和修復性措施,未予以徹底解決。
因此,在2016年8月~2019年4月的運行周期中,相
關內件均表現出工作性能降低、工作狀況惡化等問題,
以下將分別進行詳細說明。
1 沉降器旋流快分及單級旋風分離器
300×104t/a重油催化裂化裝置提升管選用VQS
旋流快分、預汽提和多段汽提技術。采用VQS旋流
快分、預汽提和多段汽提技術可實現氣-固快速分離,
分離后油氣快速引出和分離下來的催化劑快速預汽
提,使油氣在沉降器內的停留時間縮短到5s以內[5],
減少油氣在沉降器高溫環境下的過裂化反應,從而有
效地降低干氣和焦炭產率,減緩沉降器內部的結焦。
1.1 提升管出口VQS旋流頭運行情況
自2003年7月裝置投產以來,沉降器VQS組合
未進行過更換。由于長期在高溫高流速的環境中運
行,2011年7月,大檢修時首次出現旋流頭破損現象。
其后,在2014年、2016年、2019年的歷次大檢修時,均
發現其內部損壞較嚴重,如2016年7月停工檢修,經
過對沉降器進行內部檢查后發現,VOS旋流頭三臂均
出現破損,在旋流臂的頂部、背部、底部有3處破損,最
大的破口約350 mm×300 mm;2019年5月停工檢
修,經過對沉降器內部檢查后發現VOS一側旋流臂
明顯開裂,見圖1。
VQS損壞主要是在懸臂筒體出現穿孔、開裂以及
耐磨襯里變形鼓包等情況,而其造成VQS分離效率
下降的主要原因在于:
(1)VQS旋流臂變形,導致快分旋流流場方向變
化,內外渦流運動破壞,外渦流向下運動不到位,使內
渦流攜帶固體顆粒進入頂旋。
(2)VQS 旋流臂破損,導致部分油氣偏流或短
路,與催化劑接觸不充分,未經過旋流頭分離;也造成
出口線速度降低,線速度處于邊界條件或降至不穩定
區線速度以內,使得油氣攜帶催化劑固體顆粒,造成催
化劑的損失。
此外,油氣線速度降低后,延長了油氣在沉降器內
的停留時間,導致二次反應增加,干氣和焦炭等副產品
產率增加。
由于封閉罩內施工空間極為狹小,檢修材料只能
通過人孔進入,設備維修也只能進行貼板焊接修補。
目前已經過3次貼板補焊,修復效果與原裝設備相比
相差較大。
2016年、2019年大檢修時均發現,沉降器集氣室
內有較大量結焦,且不同于以往集中掛在穹頂的結焦
情況,而是大量焦炭集中在集氣室底部,呈現波浪狀堆
積,說明氣流流速較慢,油氣在集氣室停留時間長,二
次反應增加,形成大量結焦。這與旋流頭的損壞情況
密切相關。
1.2 單級旋風分離器及翼閥運行情況
VQS封閉罩出口直聯6臺單級旋風器,主要是進
一步回收油氣中攜帶的催化劑細顆粒,并通過料腿返
回汽提段,料腿出口安裝半覆蓋翼閥,閥口直徑
第49卷 第6期 馬明亮 等 催化裂化裝置旋風分離器運行情況分析及對策 35
DN450mm。
2014年檢修時發現,沉降器單級旋風分離器頂部
也出現了穿孔破損現象,隨即采用貼板補焊進行修復。
沉降器單級旋風翼閥閥板磨損程度歷次檢查均較嚴
重,有不同程度的穿孔現象,特別是隨著2011年以后
VQS及頂部單級旋風分離器工況不佳,增加了頂部旋
風分離器底部翼閥的開關頻率,更加快了翼閥磨損的
速率,磨損程度也非常嚴重。為此,從2008年開始,每
次檢修時均會對翼閥進行更換。但2016年因旋風器
料腿變形嚴重,對安裝翼閥造成困難,安裝角度已難以
達到靜態試驗的數據指標。以上問題均會造成生產運
行過程中沉降器旋風系統出現催化劑跑損及油劑分離
不好、返混時間增加、產品分布變差、沉降器結焦增加
等一系列問題。
1.3 存在問題
1.3.1 油漿泵磨損
沉降器分離效率直接影響油漿固含量和油漿泵的
正常運行。VQS旋流器損壞會引起直聯的6組單級
旋風入口密度、顆粒物濃度均超出負荷,使得分離效率
下降,運行過程中油漿催化劑固體含量上升。同時,由
于劑油分離不好,接觸時間延長,使二次反應機會大大
增加,產生的縮合產物隨油氣進入分餾塔,被冷凝下來
后,縮合產物與催化劑細粉相互裹挾,使油漿中“膠質”
升高,也會使油漿黏度增大,油漿泵輸送動力增加,進
而造成油漿泵電流升高。油漿固含量上升會加速對油
漿泵及油漿循環系統的管線及換熱器的磨損,嚴重威
脅到裝置的運行安全。
2.3.2 結焦增多
由于旋風分離系統效率降低,致使油氣停留時間
延長,二次反應大大增加。因而,自2011年以來的歷
次檢修過程中,均發現沉降器頂部掛焦不斷增多,而且
由以前的“軟焦”居多逐漸變為以“硬焦”為主,說明油
氣停留時間增加較多,油氣的返混增加。同時,頂旋升
氣管部位也出現較多的掛焦,對安全生產和長周期運
行極為不利,易發生焦塊脫落堵塞料腿,引起嚴重的催
化劑跑損。
2 再生器一二級旋風分離器
300×104t/a重油催化裂化裝置再生型式采用耗
風指標較低的重疊式兩段再生,兩個再生器重疊布置,
第一再生器位于第二再生器之上。第一再生器貧氧再
生,CO 部分燃燒,第二再生器含過剩氧再生,CO 完全
燃燒。第一再生器上部安裝了12組兩級旋風分離器,
可將大部分粒徑大于40μm 的催化劑細粉回收。經
過再生器一、二級旋風分離器分離后,煙氣中主要攜帶
粒徑小于20μm 的催化劑細粉,再經過三級旋風分離
器,回收的細粉主要是粒徑為10~20μm 的顆粒
物[6]。因此,通過分析三級旋風分離器回收的細粉中
粒徑<20μm 的顆粒占比值,可以直觀地判斷再生器
一、二級旋風分離器的工作狀況。
2.1 旋風器效率的判斷
2.1.1 三級旋風分離器回收細粉的篩分組成
表1為2003-2018年三級旋風分離器細粉篩分
組成及其變化趨勢。
表1 2003-2018年三級旋風分離器細粉篩分組成
粒徑/
μm
三旋細粉篩分組成/%
最大值最小值差值2003-2018年平均值
0~20 88.50 49.59 -38.91 55.27
20~40 44.82 11.50 33.32 40.17
40~60 6.74 0.00 6.74 4.06
60~80 0.60 0.00 0.60 0.32
80~111 3.05 0.00 3.05 0.76
從表1和圖2中可以看出:
(1)當新旋風分離器工作效率較高時,經三級旋
風分離器回收細粉的篩分組成中粒徑<20μm 顆粒的
占比一般在90%以上。隨著使用年限的增加或受其
他因素的影響,旋風器工作效率會出現下降。在催化
長周期運行指導意見中明確指出,當三級旋風分離器
回收細粉的篩分組成中粒徑<20μm 顆粒的占比出現
低于75%的情況時,一般可判斷為出現跑劑。
(2)2003年-2018年4月,經三級旋風分離器回
36
石油與天然氣化工
CHEMICALENGINEERINGOFOIL &amp;amp; GAS 2020
收細粉的篩分組成中粒徑<20μm 顆粒的占比呈現逐
年大幅下降的趨勢,從88.5%降至49.59%。
(3)與此同時,粒徑為20~40μm 的顆粒占比出
現大幅上升,從11.5%上升到44.82%。
(4)尤其是在裝置運行了3個周期(每3年算1
個周期)以后,自2012年開始,粒徑為40~110μm 的
顆粒也從無到有,且不斷增加,最高達到10.39%。
(5)以上數據可以充分說明再生器一、二級旋風
分離器的工作狀況不佳,分離效率下降較多,再生器旋
風分離器已出現持續“跑劑”。
2.1.2 再生器平衡劑的篩分組成
表2和圖3為2003-2018年平衡劑篩分組成及
其變化趨勢。
表2 2003-2018年平衡劑篩分組成
粒徑/
μm
再生系統平衡劑篩分組成/%
最大值最小值
0~20 1.54 0.06
20~40 17.44 11.99
40~80 49.53 41.44
80~111 22.54 17.64
>111 23.40 15.67
從表2和圖3可以看出:
(1)平衡劑篩分組成中粒徑為0~20μm、20~
40μm的顆粒占比也呈現下降趨勢,說明細顆粒跑損
增大,再生器床層中催化劑細顆粒(粒徑<40μm)跑
損殆盡。
(2)平衡劑大顆粒的篩分基本穩定,主要是通過
補充新鮮催化劑得以維持,但總體而言,催化劑的平均
粒徑(averageparticlesize,簡稱APS)應當是增大的,
說明粒度變粗,系統催化劑細粉的存量較少。
(3)反-再系統中的篩分整體有增大的趨勢,生產
過程中為保持正常流化狀態,需要更大的主風流量。
這將進一步加劇顆粒間的磨損和催化劑的跑損。三級
旋風分離器細粉中大顆粒的占比增加,也驗證了這
一點。
2.2 分離效率下降原因分析
2.2.1 使用年限長
目前使用的再生器旋風分離器,自裝置2003年7
月投產以來未進行過更換。因此,在長時間的高溫環
境中,旋風器的筒體會出現熱變形,改變氣體進入的流
向流速,使旋風分離器效率降低。而這種變形對于直
徑較大的筒體,僅憑目視檢查難以察覺。
2.2.2 破損襯里無法維修
歷年檢修人員檢查只能通過再生器集氣室進入二
級旋風分離器進行簡單檢查,而內部已有襯里碳化、裂
紋,均由于空間狹小無法施工修復。但是襯里的破損
和斑駁也使氣流轉向發生變化,從而會降低氣固分離
的效率。
2.2.3 旋風分離器檢查的盲區
由于旋風分離器料腿和一級旋風分離器結構的原
因,人員無法進入內部檢查,故內部筒體和襯里的損壞
情況均未知。但從細粉中粒徑在20μm 以上顆粒含
量的變化可以斷定,再生器一、二級旋風分離器運行工
況不佳。
2.2.4 料腿變形
由于長期受到高溫環境的影響,再生器旋風分離
器的二級料腿出現變形,直接導致翼閥的安裝角度發
生改變,使得運行過程中翼閥的閥板與閥口出現嚴重
磨損,翼閥的閉合效果變差,導致料腿密封不佳,出現
跑劑。
2.3 存在問題
2.3.1 催化劑的消耗量增加
旋風分離器分離效率降低,直接造成催化劑的跑
損增加,這不僅會直接影響再生床層的正常流化,同
時,參與催化反應的催化劑有效顆粒數目也會減少。
因此,在生產操作過程中,不得不通過增大催化劑的劑
耗來維持正常篩分組成,以保持平穩操作。研究表明,
當旋風分離器分離效率η=99.99%時,催化劑消耗水
平正常;當η=99.98%時,催化劑消耗增加50%;當
η=99.97% 時,催化劑消耗增加200%[7]。而根據
第49卷 第6期 馬明亮 等 催化裂化裝置旋風分離器運行情況分析及對策 37
300×104t/a重油催化裂化裝置三旋粒徑為0~20μm
的細粉占比變化,估算這一原因會導致每年增加催化
劑單耗0.3~0.5kg/t原料。
2.3.2 三旋負荷增加
由于再生器一、二級旋風分離器效率下降,勢必增
加三級旋風分離器的工作負荷,超負荷工作增加了對
三級旋風分離器內各分離單管的磨損,超細粉會造成
單管堵塞,在上述因素的綜合作用下,使得三級旋風分
離器的分離效率下降。
2.3.3 煙氣輪機的磨損和葉片結垢
再生器跑劑會增加煙氣輪機的磨損,加快煙氣輪
機結垢的速率。煙氣輪機中的固體顆粒在高氣速條件
下會給輪機葉片及輪盤等部件造成磨蝕,從而影響其
使用壽命和運行周期。在催化煙氣輪機長周期運行管
理指導意見中明確指出,進入煙氣輪機的煙氣中顆粒
物質量濃度(0 ℃,101.325 kPa,下同)不大于
200mg/m3,但目前已達到160~200mg/m3,說明再
生器一、二級旋風分離器和三級旋風分離器的分離效
率均降低。
同時,由于近幾年原料中重金屬含量的上升,導致
系統中平衡劑的重金屬含量逐年上升。細粉的體積較
小,表面更容易富集重金屬中的Ca、Fe、Ni等,單純的
重金屬含量上升不會造成煙機結垢,但再生器旋風分
離器和三旋分離效果差會導致煙氣中細粉含量增多,
加之Ca、Fe、Ni等金屬和硫元素的共同作用,會增加
粉末的黏結傾向,使顆粒在煙機的葉片上黏附形成
垢層[8]。
2.3.4 煙氣余熱鍋爐管束積灰嚴重
再生器旋風分離器效率下降,使三級旋風分離器
出口的煙氣中也含有大量細粉和超細粉,在后部能量
回收設施煙氣余熱鍋爐的管束表面積灰,導致余熱鍋
爐蒸汽產量下降、過熱蒸汽品質下降,煙氣選擇性催化
還原(selectivecatalyticreduction,簡稱SCR)脫硝反
應器床層溫度接近上限,尾部排煙溫度和SCR床層壓
降上升速度快,完全依賴鍋爐高頻次蒸汽和乙炔氣激
波吹灰進行控制,蒸汽和乙炔氣用量均較大。
2.3.5 煙氣脫硫裝置運行困難
催化裝置配套的煙氣脫硫裝置循環漿液中固含量
持續升高,漿液外甩量勢必增加,造成裝置的水耗量、
堿液耗量大幅上升。同時,煙氣脫硫裝置吸收塔噴嘴、
循環漿液泵的泵體、葉輪及附屬管線閥門均附著沉積
的硬垢,造成噴嘴及管線堵塞,設備閥門損壞,嚴重影
響環保裝置的長周期安全運行。
3 整改措施及效果
針對上述嚴重影響裝置長周期運行和技術經濟指
標的問題,進行以下相應整改:
(1)2019年裝置大檢修期間,對沉降器VQS、單
級旋風分離器以及料腿進行整體更換。
大檢修后,催化油漿中催化劑固體質量分數保持
在0.2%,煤油溶解后油漿中可見膠質質量分數為
0.2%,油漿灰分明顯降低,油漿泵電流值為70~
72A,油漿循環量為900~1000t/h,運行平穩,流量
正常,見表3。
(2)2019年裝置大檢修期間,對再生器一、二級
旋風分離器及料腿進行整體更換。
大檢修后,三旋細粉篩分中粒徑<20μm 的顆粒
占比達到80%以上,粒徑為0~3μm 的超細粉占比上
升到11.1%,較檢修前的4.1%有明顯提升,APS隨
之減小,見表4。
在檢修后新鮮催化劑加劑量大幅降低的條件下,
平衡劑篩分組成中粒徑為0~20μm、20~40μm 的顆
粒占比上升,說明再生器一、二級旋風分離器更換后細
顆粒跑損明顯減少,平衡劑APS降至72.4μm,表明
粒度變小,反-再系統催化劑細粉的存量恢復正常。以
上數據充分說明再生器新更換一、二旋風器分離的工
表3 檢修前后催化油漿分析對比
項目時間w(油漿固體)/
%
煤油溶解后油漿中
w(可見膠質)/%
w(灰分)/
%
油漿外甩量/
(t·h-1)
油漿密度/
(kg·m-3)
油漿泵電流/
A
檢修前2018年標定0.20 0.80 0.35 10.42 1045 87
檢修后2019年7-9月0.20 0.20 0.28 10.12 1047 72
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石油與天然氣化工
CHEMICALENGINEERINGOFOIL &amp;amp; GAS 2020
表4 檢修前后三級旋風分離器細粉分析對比
項目
三旋細粉篩分組成/%
0~3
μm
0~20
μm
>20~40
μm
>40~60
μm
>60~80
μm
>80~111
μm
APS/
μm
2019年
檢修前4.1 49.5 45.1 5.4 0.0 0.0 20.1
2019年
檢修后11.1 80.5 17.8 1.7 0.0 0.0 11.0
作狀況良好,分離效率明顯提升,經旋風分離后煙氣夾
帶的顆粒物減少,三級旋風分離器的分離效果提高,有
助于后部煙氣輪機、煙氣余熱鍋爐、煙氣脫硫裝置運行
工況長周期平穩運行,見表5。
表5 檢修前后平衡劑分析對比
項目
平衡劑篩分組成/%
0~20
μm
>20~40
μm
>40~60
μm
>60~80
μm
>80~111
μm
>111
μm
APS/
μm
2019年
檢修前0.0 9.8 22.6 21.7 23.2 22.7 75.8
2019年
檢修后0.2 11.0 24.2 22.2 22.7 19.7 72.4
大檢修后,300×104 t/a重油催化裂化裝置于
2019年6月21日重新開工至今,在滿負荷生產的情
況下運行平穩,實現了催化劑的高效分離。
4 結論
通過對300×104t/a重油催化裂化裝置近幾個運
行檢修周期內催化劑性質變化和提升管出口旋流快
分、沉降器頂旋風分離器、再生器一、二級旋風分離器
內部檢查維修情況進行詳細分析,最終確認氣固分離
設備工作性能效率降低,造成裝置出現跑劑。在2019
年裝置大檢修時對上述氣固分離設備進行了更換,從
設備本質保障了旋風分離器的運行安全,徹底消除了
裝置的生產瓶頸。
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收稿日期:2020-05-12;編輯:溫冬云
第49卷 第6期 馬明亮 等 催化裂化裝置旋風分離器運行情況分析及對策 39

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